u形管換熱器e-304機械設計機械設計制造及自動化專業畢業設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 熱溫差是強化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱系數是當今強化傳熱的重點。 20 世紀到 80 年代以來，換熱器技術飛速發展，帶來了能源利用率的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發與應用帶來了巨大的社會經濟效益，市場經濟的發展、私有化比例加大，降低成本已成為企業追求的最終目標。因此節能設備的研究與開發備受矚目。能源的日趨緊張、全球 環境氣溫的不斷升高、環境保護要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器帶來了日益廣闊的應用前景。 換熱設備的應用 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、鋼鐵、汽車、食品及其他許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。尤其在化工生產中，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用甚為廣泛。日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業部門。它的主要 功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 9 是提高能源利用率的主要設備之一。 由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業生產中成為一種典型的換熱器。 二十世紀 20 年代出現板式換熱器，并應用于食品工業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制 造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發動機的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。此外，自 60 年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。 70 年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 10 2 U 形管換熱器各部分的設計說明 U 形 管換熱器的介紹 圖 .U 形管式換熱器 U 形管式換熱器的換熱管呈“ U”形。 U 形 管式換熱器一束管子被彎制成不同曲率半徑的 U 形 管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束管板夾持在管箱法蘭與殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱即可直接將管束抽出，便于清洗管間。管束的U 形端不加固定，可自由伸縮，故它適用于兩流體溫差較大的場合；又因其構造較浮頭式換熱器簡單，只有一塊管板，單位傳熱面積的金屬消耗 量少，造價較低，也適用于高壓流體的換熱。相同直徑的殼體內， U 形管的排列數目較直管少，相應的傳熱面積也較校雙重管式換熱器將一組管子插入另一組相應的管子中而構成的換熱器。管程流體從管箱進口管流入，通過內插管到達外套管的底部，然后返向，通過內插管和外套管之間的環形空間，最后從管箱出口管流出。其特點是內插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。當殼體與 U 形管有溫差時，不會產生熱應力。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱。但管程流體的阻力較大，設備造價較高。 由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管間距較大 ，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄露損壞時，只有管束外圍處的 U 形管便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根管相當于壞兩根，報廢率較高。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 11 U 形管換熱器結構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 因為 U 形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結構簡單，造價也比其他換熱器便宜承壓能力強。管束可以從殼體中抽出，管外便于清洗，但管內清洗困難，所 以管內的介質必須是清潔且不易結垢的物料。由于換熱管的結構形式關系，管子的更換除外側一層外，內部管子大部分不能更換管束中心部分存在空隙，所以流體易走短路，影響傳熱效果。而且管板上排列的管子較少，結構不緊湊， U 形管的彎管部分曲率不同，管子長度不一，因而物料分布不如固定管板式換熱器均勻。但也正因為 U 形管換熱器的結構特點，管束的兩端固定在同一塊管板上，管束可自由伸縮與殼體之間不存在溫差應力。因此， U 形管換熱器常在高溫高壓的場合大量使用。 結構的選擇與論證 由于各種工藝和結構要求，不可避免地要在容器上開孔并 安裝接管，開孔后，除減小器壁的強度外，還會在殼體和接管的連接處，因結構的連續性被破壞，產生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患。因此，壓力容器的設計必須充分考慮開孔的補強設計。 開孔應力集中的程度與孔的形狀有關，圓孔應力集中程度最低。為了降低峰值應力需要在開孔邊緣補強，即用在開孔邊緣附近增加截面的方法，來提高抗應力程度。 等面積補強法規定，在有效補強范圍內，補強的金屬截面積等于大于開孔的所削弱的殼體面積。它是以補強后殼體的平均抗應力程度不至于變小為出發點的。這種方法沿用已久，對于塑性比較好的材料也比較安 全可靠。為減小計算長度 L，而大大提高容器的臨界壓力，用增設加強圈往往比用大容器壁厚的方法增大剛度更為經濟。扁鋼截面慣性距較大，力學性能較好。因此，選用扁鋼加強圈。由于補強圈遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 12 的焊接結構會引起較大局部應力，同時高強度鋼容易產生焊接裂紋，故超越標準范圍時采用補強管結構，即在開孔處焊一厚壁短管，在采用全焊透結構 筒體的設計 筒體的作用是提供工藝所需的承壓空間，是壓力容器最主要的受壓元件之一，器內直徑和容積往往需由工藝計算確定。 筒體直徑較小（一般小于 500mm）時，圓筒可用無縫鋼管制作，此時筒體上沒有 縱焊縫；直徑較大時，可用鋼板在卷板機上卷成圓筒或用鋼板在水壓機上壓制成兩個半圓筒，再用焊縫將兩者連接在一起，形成整圓筒。 換熱器的筒體可以用鋼板卷制，也可以用無縫鋼管制作，通常以 400mm 為界。筒體直徑小于等于 400mm，常用鋼管作為筒體，公稱直徑以內徑為基準。碳鋼和低合金鋼作為筒體必須是無縫鋼管，奧氏體不銹鋼管作為筒體可以使用無縫鋼管，也可以是符合要求的有縫鋼管。 表 公稱直徑（ mm） 400~700 700~1000 1000~1500 1500~2020 2020~2600 浮頭式 8 10 12 14 16 U形管式 固定管板式 6 8 10 12 14 注：表中數據包括厚度附加量 C2（按 3mm考慮） 因此：選材：按 GB1501998 選定圓筒的材料為 RMn16 。 長度：由換熱管長度而定。 厚度：由 中 規定碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于 上 表的規定。 封頭的設計 1) 為了避免應力集中，封頭各種不相交的拼接焊縫中心線 間距離 至少應為鋼遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 13 板名義厚度的 3 倍，且不小于 100mm。封頭有成形的瓣片和頂圓板拼接 制成時，焊縫方向只允許是徑向和環向的，徑向焊縫接頭之間的最小距離也應小于 100mm。 2) 先拼板成形后的封頭拼接焊縫，在成形前應打磨至母材齊平， 100%壓制成形后進行射線檢測。 3) 沖壓成形后的封頭，其最小厚度不應小于鋼板名義厚度減去鋼板的負偏差。 4) 封頭直邊部分的縱向皺褶深度應小于 。 由 GB150 選取封頭材料為 RMn16 參照《壓力容器相關標準匯編》選取標準橢圓 封頭。 圖 封頭結構示意圖 封頭管箱的設計 本設計中 封頭管箱為組合件，選取一個橢圓封 頭、短節、中間隔板以及接管法蘭組成。 由 GB1501998 第五章選擇：橢圓封頭材料： RMn16 。短節材料： RMn16 。 接管的設計 接管的一般要求： 1) 接管宜與殼體內表面平齊； 2) 接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置； 3) 設計溫度高于或等于 300℃，應采用對焊法蘭； 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 14 4) 必要時應設置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口； 5) 對于不能利用接管進行放氣、排液的換熱器應在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其最小公稱直徑為 20mm； 6) 立式換熱器可設置溢流口。 圖 U形管簡圖 U 形管的結構設計 對換熱管的尺寸精度要求與一般的液體輸送管線用管不同，因為在組裝管束時，換熱管必須穿過管板及折流板，所以對其外徑有一定尺寸精度要求，否則會給裝備工作帶來困難。 GB151 規定，對于碳鋼和低合金鋼的換熱管，按其尺寸要求精度要求分成Ⅰ級管束和Ⅱ級管束。Ⅰ級管束采用較高級或高級精度冷拔鋼，Ⅱ級管束采用普通級冷拔鋼。在換熱管材料訂貨時，應注意精度等級問題。奧氏體不銹鋼材質的換熱器均采用高精度管，管束均為Ⅰ級。 U 形管彎管管段的彎曲半徑 U 形管彎管管段的彎曲半徑 R 應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑 Rmin可按 GB151 中 表 11 選取。 表 換熱管外徑 mm 10 12 14 16 19 20 22 25 32 35 45 50 55 Rmin mm 20 24 30 32 40 45 50 60 66 70 76 90 100 布管 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 15 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形。正三角形和轉角三角形、轉角正方形。正三角形排列形式可以再同樣的管板面積上排列最多的管數，故 用得最為普遍，但管外不易清洗。為了便于管外清洗方便，本換熱器設計采用了轉角正方形排管的管束，其圖如下。 （ a）正三角形 （ b）轉角正三角形 （ c）正方形 （ d）轉角正方形 圖 管束的排列 本設計中選用換熱管的排布方式為按